Как получить Нобелевку: свет квантовых точек

История с присуждением премии по химии 2023 года началась на четыре часа раньше официального объявления результатов. Впервые в истории премий случилась ошибка – в СМИ был ошибочно отправлен пресс-релиз с именами лауреатов еще до пресс-конференции Нобелевского комитета, которая традиционно состоялась в 11.45 по времени Стокгольма. Сложно себе представить, каково было членам комитета, когда они узнали о головотяпстве своего сотрудника. Официально комментировать не стали, кроме фразы «решение еще не принято», но когда наступил час Х, секретарь шведской Королевской академии наук как ни в чем не бывало объявил именно тех лауреатов, что были в пресс-релизе-фальстарте. С другой стороны, срочно все переиграть, наверное, было бы жестоко. Итак, что же сделали герои дня?

Пишут, что история квантовых точек началась в конце 1970-х годов. Но на самом деле, она началась на пару тысячелетий раньше, когда человечество научилось варить окрашенные стекла. Вот, например, в Александрии IV века нашей эры создали уникальный Кубок Ликурга, который меняет цвет в зависимости от угла зрения. Сейчас мы знаем, что это происходит благодаря тому, что в стекле есть наночастицы серебра и золота размером в десятки нанометров.

Кубок Ликурга

Всего этого не знал достигший возраста Христа кандидат наук Алексей Екимов, работавший в Государственном оптическом институте имени С.И. Вавилова (да-да, тот самый ГОИ, в котором пасту ГОИ сделали). Отметим, что с 1999 года Екимов работал в Nanocrystals Technology Inc., New York, NY, USA, с этой аффилиацией его и представляли на церемонии объявления результатов, но на данный момент компания уже не существует).

К 1978 году Екимов уже успел получить Государственную премию СССР за цикл работ «Обнаружение и исследование новых явлений, связанных с оптической ориентацией спинов электронов и ядер в полупроводниках» (1970—1974) годы.

Уже после такой серьезной награды Екимов задался вопросом одной загадки цветных стекол: как одним и тем же веществом можно окрасить стекло в разные цвета. Например, с XIX века было известно, что смесь селенида и сульфида кадмия может придать стеклу желтый или красный оттенок – какой именно, зависело от того, насколько сильно было нагрето расплавленное стекло и как оно было охлаждено.

Как мы уже сказали, Государственную премию СССР Екимов получил за исследования проводников. В этой области оптические методы используются в качестве диагностических инструментов для оценки качества полупроводниковых материалов. Исследователи направляют свет на материал и измеряют его поглощающую способность. Это показывает, из каких веществ изготовлен материал и насколько упорядочена кристаллическая структура.

Екимов был с этими методами «на ты», поэтому он начал использовать их для исследования цветного стекла. После нескольких первоначальных экспериментов он решил систематически производить стекло, тонированное хлоридом меди. Он нагревал расплав стекла в диапазоне температур от 500°C до 700°C, варьируя время нагрева от 1 часа до 96 часов. Как только стекло остывало и затвердевало, он просвечивал его рентгеном. Рассеяние рентгеновских лучей показало, что внутри стекла образовывались крошечные кристаллы хлорида меди, и процесс производства повлиял на размер этих частиц – он составлял от 2 до 30 нанометров (к слову сказать, в то время Екимов предпочитал пользоваться термином «ангстрем», что равняется 10 нанометрам, и слова «наночастицы» тогда не было – в статье «Письмах в ЖЭТФ», вышедшей в 1981 году, он использовал термин микрочастицы).

Начало статьи в Письмах в ЖЭТФ

Интереснее оказалось другое. На светопоглощение стекла влияет размер частиц. Самые крупные частицы поглощали свет таким же образом, как обычно поглощает хлорид меди, но чем мельче частицы, тем голубее оказывался поглощаемый ими свет. Как физик, Екимов был хорошо знаком с законами квантовой механики и быстро понял, что наблюдал квантовый эффект, зависящий от размера. Так человечество впервые познакомилось с квантовыми точками – наночастицами полупроводников (в первую очередь), столь малыми, что внутри них уже явственно проявляются квантовые эффекты – и эти эффекты зависят от размера наночастицы.

Опубликованная на русском языке статья в советском журнале не стала известной в научном мире. И в результате, независимо от Екимова, Луис Брюс, работавший в знаменитой Белловской лаборатории в США и изучавший реакции, проходящие под действием солнечного света, заметил нечто странное с частицами сульфида кадмия, которые могут поглощать солнечный свет. Однажды Брюс оставил частицы в коллоидном растворе на какое-то время и заметил, что они изменили свои оптические свойства. Брюс предположил, что эффект связан с тем, что частицы выросли в размере. Тогда химик провел контролируемый эксперимент, и создал частицы размером 4,5 нм и 12,5 нм. Эффект был тот же, что и у Екимова: чем мельче частицы, тем сильнее поглощение смещается в сторону синего света. Квантовый эффект, зависящий от размера. В 1983 году вышла статья Брюса, ничего не ведавшего о работах Екимова.

Квантовый эффект зависит от размера частицы

Однако одно дело – эффект наблюдать, а другое дело – его контролировать и применять. Метод Брюса позволял получать наночастицы с непредсказуемым качеством. Нужен был новый способ получения кристаллических частиц, состоящих всего из тысяч атомов.

Важнейший ход, ключевой для применения квантовых точек на практике, сделал постдок Брюса, Мунги Бавенди – американец тунисского происхождения, родившийся в Париже. Бавенди пришел в лабораторию Брюса в 1988 году, но только в 1993, когда Бавенди уже перешел в Массачусетский технологический, он смог добиться прорыва. Тогда его исследовательская группа предложила вводить вещества, которые должны были образовывать нанокристаллы, в нагретый и тщательно подобранный растворитель, причем вводить их ровно столько, сколько было необходимо для точного насыщения раствора, что приводило к одновременному образованию крошечных зародышей кристаллов.

Затем, динамически изменяя температуру раствора, Мунги Бавенди и его исследовательская группа добилась управления синтезом нанокристаллов определенного размера. Нанокристаллы, полученные Бавенди, были почти идеальными, что приводило к отчетливым квантовым эффектам. Поскольку метод производства был прост в использовании, он стал революционным – все больше и больше химиков начали работать с нанотехнологиями и начали исследовать уникальные свойства квантовых точек.

Метод Мунги Бавенги

Сейчас применений квантовых точек очень много. Например, технология QLED-дисплеев, в которой основной источник света – яркий синий светодиод (LED, Нобелевская премия по физике 2014 года). А квантовые точки (Q) преобразуют синий свет в зеленый и красный, а уж из синего, красного и зеленого в дисплее образуются все остальные цвета.

Так что квантовые точки – вполне заслуженная и отвечающая духу завещания Нобеля премия, расположенная ровно посередине между физикой и химией. На этот раз повезло химии. Кстати, де факто – это вторая в истории отечественная «химическая» Нобелевка после премии Николая Семенова.

И кстати, на пресс-конференции после присуждения какая-то прогрессивная журналистка спросила: как же вы можете присуждать русскому Нобелевку! На что секретарь Шведской королевской академии ответил: Нобелевскому комитету не важна национальность и гражданство, мы ориентируемся только на вклад ученого в науку. И кроме того, именно так присуждать премии завещал Нобель.